Estabilizacin de suelos con biocemento

J. A. Flrez Universidad de Los Andes, Bogot, Colombia

RESUMEN: La inclusin de soluciones biotecnolgicas ha abierto nuevas posibilidades de estabilizacin de suelos a partir de la formacin bacteriana de cristales de calcita, un conocido cementante natural que permite mejorar las propiedades mecnicas del suelo. Las bacterias degradadoras de urea producen amonio a partir de la hidrlisis de esta, creando unas condiciones alcalinas necesarias para la precipitacin de carbonato de cal-cio. En ste documento se reportan los resultados obtenidos de los ensayos de compresin edomtrica a los 20 das de realizado el tratamiento a una arena gravosa tipo SP con una bacteria del tipo cocobacilo grampositivo - ureasa positivo, aislada de un suelo de origen calizo donde es comn el fenmeno de precipitacin de car-bonato de calcio o calcita.

ABSTRACT: The inclusion of biotechnological solutions has opened new possibilities of ground stabilization from the bacterial formation of calcite crystals, a natural well-known cement that allows to improve the me-chanical properties of the ground. The ureasa positive bacteria produce ammonium from urea hydrolysis, cre-ating necessary alkaline conditions for the precipitation of calcium carbonate. This document reports the ob-tained results of the tests of edometric compression, 20 days after of made the treatment to a sand type SP with a grampositive - ureasa positive cocobacillus, isolated bacteria of a limestone ground where is common the carbonate of calcium or calcite precipitation phenomenon.

1 JUSTIFICACION Se define como estabilizar un suelo, cambiar o alte-rar sus propiedades con la finalidad principal de ob-tener un material de mejor calidad, que pueda sopor-tar las solicitaciones de carga a las que va a ser sometido. Por lo general, los suelos colombianos en su estado natural no poseen una capacidad de sopor-te que sea aceptable para resistir estas solicitaciones en determinados proyectos, principalmente en los campos de infraestructura vial y pavimentos.

Los principales factores que generan la inestabi-lidad de un suelo estn ligados a las propiedades in-trnsecas de estos, como son: - Resistencia mecnica - Tamao y forma de las partculas - Estabilidad volumtrica - Permeabilidad

Existen diferentes formas de estabilizar un suelo, ya sea con adicin de cal o cemento, con materiales asflticos o con otros aditivos como las escorias de alto horno, los cuales mejoran considerablemente las propiedades mencionadas anteriormente, pero des-graciadamente exigiendo de altas inversiones por parte de las empresas constructoras.

Un campo hasta hace muy poco explorado en el mundo para la solucin de ste problema, ha sido la interaccin de cierto tipo de bacterias, llamadas cal-cificantes, con los suelos, que bajo condiciones con-troladas pueden conseguir un mejoramiento de cier-tos factores que influencian la resistencia de un suelo. Las bacterias causan en la matriz de suelo la precipitacin o la formacin de calcita, material cris-talino que sirve de unin entre las partculas de sue-lo, es decir, cementa las partculas de suelo entre s mejorando las propiedades intrnsecas de este.

2 CONCEPTOS GENERALES

2.1 Precipitacin de carbonato de calcio. La precipitacin de calcita es un proceso qumico mediante el cual los cationes de calcio se unen a io-nes carbonato para formar carbonato de calcio. En la actualidad se est investigando la influencia que tie-nen ciertos microorganismos en este proceso, hablndose incluso de precipitacin biolgica de carbonatos. Esta reaccin se produce en medio bsi-co. El calcio en el agua puede encontrarse en forma de bicarbonato HCO3 soluble, o de carbonato CO32- ms insoluble. El equilibrio entre ambos est in-fluenciado por el CO2, que al disolverse en el agua forma cido carbnico H2CO3. El pH y los factores que lo modifican, tienen gran influencia, por ejem-plo las bacterias. Efectivamente, existen bacterias capaces de aumentar localmente el pH a su alrede-dor, favoreciendo la precipitacin de carbonato cl-cico. La fotosntesis en medios acuticos debe ser el principal proceso que contribuye a la precipitacin del carbonato. El Ca se encuentra disuelto en forma de bicarbonato, que se equilibra con el CO2 disuelto:

Ca (HCO3)2 > CaCO3 + H2O + CO2 (1) La fotosntesis, al asimilar el CO2, hace que el

equilibrio se desplace hacia la formacin de carbo-nato.

Castanier & Otros (2000). La precipitacin del carbonato de calcio CaCO3 es un fenmeno encon-trado comnmente en ambientes como las aguas ma-rinas, aguas dulces, y los suelos. Es un proceso qu-mico gobernado por cuatro factores dominantes: - La concentracin de iones calcio Ca2+ - La concentracin de carbn inorgnico disuelto - El pH - La disponibilidad de sitios de nucleacin

Castanier & Otros (2000). Diversas especies bac-terianas se han detectado y se ha asumido previa-mente su asociacin a las precipitaciones naturales del carbonato en ambientes diversos. El papel pri-mario de las bacterias en el proceso de precipitacin se ha atribuido a su capacidad de crear un ambiente alcalino (altos pH) con varias actividades fisiolgi-cas.

Hammes (2002). Aunque la precipitacin micro-biolgica del carbonato, (MCP) en ingles, se ha in-vestigado extensivamente en ambientes naturales y bajo condiciones definidas del laboratorio, los me-canismos exactos de la precipitacin y funcin de este proceso dentro de la ecologa microbiana de los organismos precipitadores permanece sin resolver. Tabla 1.

Tabla 1. Ejemplos de mecanismos de precipitacin de carbo-nato. Especies y ambientes asociados. __________________________________________________ Especie y Ambiente Tipo de Mecanismo Cristal __________________________________________________ Fotosntesis Synechococus GL24 Lago meromtico Calcita Nannochloris atomus Medio BG11 Calcita Reduccin de sulfatos Aislamiento SRB Lago Hipersalino Dolomita Ciclo del nitrgeno Bacillus pasteurii Degradacin de urea Calcita Bacillus cereus Reduccin de nitratos Calcita Variovorax spp y Pseudomonas spp Degradacin de urea Calcita Mecanismos no espec. Vibrio spp Sinttico Calcita Flavobacterium spp Sinttico Mg-calcita Acinetobacter spp Sinttico Mg-calcita __________________________________________________

2.2 Antecedentes Ismail & Joer & Randolph (2002), han utilizado una tcnica que se basa en introducir una solucin qu-mica en la matriz de suelo, mediante mezcla o riego. El mtodo se denomina Sistema de Precipitacin In-situ, (CIPS) en ingles; es una nueva tecnologa des-arrollada por CSIRO. La solucin CIPS esta basada en agua, es de baja viscosidad, pH neutro y no txi-ca. Esta solucin es inyectada permanentemente a travs del material poroso, desplazando el fluido existente en los poros. Las reacciones qumicas ocu-rren entre los componentes del CIPS y resulta en una precipitacin de cristales de calcita en la superficie de los materiales constituyentes. Los cristales de calcita envuelven la superficie de los granos y for-man puentes de unin entre ellos, por lo tanto ce-mentan la matriz de suelo e incrementan la resisten-cia del material. Entre ms riegos de la solucin se le hagan al suelo, mayor ser el grado de concentra-cin de calcita.

El Instituto GeoDelft ha realizado ensayos de la-boratorio con bacterias aisladas por la investigadora Australiana, Vicky Whiffin, las cuales producen precipitacin de calcita. Bajo las condiciones co-rrectas, los microbios producen la precipitacin del carbonato de calcio CaCO3 logrando el enlace entre los granos de arena pegndolos como lo hara el ce-mento. Esto lleva a la formacin de una piedra are-nisca, que es similar a la piedra arenisca natural. La resistencia del cuerpo de arena depende del nmero de baos que se le den con las bacterias y nu-trientes (en este caso principalmente sales). Durante el primer bao, la formacin de calcita alcanzar so-lo para unir la superficie de contacto entre los gra-nos. Esto significa que el cuerpo de arena es de muy

poca resistencia. Con el segundo bao la capa de calcita se vuelve ms espesa, logrando as un au-mento de la resistencia. Despus del tercer bao, se han obtenido resultados de resistencia que son simi-lares a los de piedra arenisca natural. (Figura 1).

Rodrguez & Navarro (2003), han propuesto el uso de mixobacterias, capaces de depositar calcita, para el recubrimiento de la piedra porosa ornamen-tal. La actividad metablica de esta mixobacteria in-duce la produccin de NH3 que incrementa el pH de la solucin. El CO2 producido por la bacteria es di-suelto y transformado en HCO3 o CO3 2. Los car-bonatos formados se adhieren a los granos de calcita original formando un cemento. La ventaja de la M. xanthus es que no completa su ciclo vital en el culti-vo; aunque la bacteria esta viva en el cultivo, en la piedra acaba muriendo. La ganancia de peso induce a pensar que la mayor parte de la precipitacin ocu-rre de 5-10 das.

Figura 1. Vista microscpica de granos de arena unidos por cristales de calcita. Whiffin (2002)

Bachmeier & Williams (2002), mediante el uso de Bacillus pasteurii ha relacionado la produccin de calcita con la enzima ureasa, responsable de la alcalinizacin del medio por la produccin de amo-niaco.

Tiano & Biagiotti & Mastromei (1999), han in-tentado inducir la precipitacin de carbonato clcico a partir de matrices orgnicas de macromolculas (Organic Matrix Macromolecules), extradas del Mytilus Hispanicus. (Molusco).

Perito & Mastromei (2003) , del Departamento de Biologa animal y gentica Leo Pardi de la Univer-sidad de Florencia, Italia; Han estudiado la forma-cin de cristales de calcita con la bacteria Bacillus subtilis para identificar los genes y estructuras celu-lares que influyen en la biomineralizacin.

En Colombia los ingenieros Echeverri & Santan-der (2003) de la Universidad Nacional de Colombia han realizado ensayos de laboratorio preparando medios nutritivos para facilitar el crecimiento de las bacterias calcificantes nativas en el suelo, adems de tratamientos con bacterias como la Bacillus subtilis y Serratia marcensces en muestras de suelo tomadas en diferentes municipios del departamento de Antio-quia. Como resultado de los ensayos de CBR (Cali-fornia Bearing Ratio) aplicados a las muestras, con-cluyeron que este valor aumento para las que fueron tratadas con el medio nutritivo MN y tambin en las tratadas con las bacterias anteriormente menciona-das. El nmero CBR se obtiene como la relacin de la carga unitaria necesaria para lograr una cierta profundidad de penetracin de un pistn dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrn requerida para obtener la misma pro-fundidad de penetracin en una muestra estndar de material triturada.

3 AISLAMIENTOS Y ENSAYOS MICROBIOLOGICOS

3.1 Aislamiento de la bacteria ureoltica En esta fase se procedi a realizar de nuevo el ais-lamiento de una bacteria relacionada con la precipi-tacin de calcita. Para ello fu necesaria la recolec-cin de nuevas muestras provenientes de la Cantera CIMACO a las afueras de la ciudad de Cartagena de Indias D.T, de la cuales se haba aislado anterior-mente la cepa ureasa positiva del tipo coco bacilo gram-negativo, con la que se pretenda realizar en-sayos en suelos Bogotanos.

Esta vez el nmero de muestras ascendi a trece (13); acatando los mismos parmetros que haba es-tablecido Pereira (2004) para la recoleccin de las muestras; estos fueron: - Tamao - Incrustaciones calizas visibles - Muestras de doscientos(200) gr. tomadas quin-

ce(15) cm. de profundidad - Transporte en cmara refrigerada y por va a-

rea. Este ltimo con el fin trasladar las muestras al la-

boratorio de microbiologa con la menor cantidad de alteraciones posible.

Ya en el laboratorio, fueron tomadas porciones de cada una de las muestras y puestas en erlenmeyers separados con medio enriquecido B.H.I (Brain Heart Infusion - Infusin Cerebro Corazn), con el fin de

lograr que las bacterias alojadas en estas crecieran y se desarrollaran con mayor rapidez. Las muestras se dejaron en la incubadora a treinta grados centgrados (30 C) durante cinco (5) das al cabo de los cuales todas presentaban turbidez y olor nauseabundo, co-rroborando as la presencia de bacterias. El siguien-te paso consisti en realizar pases en medio nutritivo S.P.C (Standard Plate Count) de cada una de las muestras incubadas con medio B.H.I. Estos aisla-mientos en S.P.C se dejaron en la incubadora duran-te veinticuatro (24) horas al cabo de las cuales, se empezaron a ver colonias de bacterias en todos los S.P.C. Figura 2.

Figura 2. Imagen de las colonias de bacterias en uno de los S.P.C

En los 13 S.P.C se identificaron macroscpica-mente cuatro (4) morfotipos distintos. Para su esco-gencia se tuvo en cuenta cuales haban presentado mayor turbidez en el medio B.H.I y adems las co-lonias que se desarrollaron ms rpido en los S.P.C en veinticuatro (24) horas.

Se realiz un nuevo pase de cada uno de los mor-fotipos en nuevos S.P.C y se dejaron en la incubado-ra por veinticuatro (24) horas para acelerar su cre-cimiento.

El siguiente paso consisti en realizar las pruebas de degradacin de urea a los cuatro (4) morfotipos encontrados. Para ello se esteriliz el equipo de fil-trado para el agar urea y cuatro (4) tubos de ensayo para garantizar la pureza del agar al momento de realizar la prueba. El medio utilizado para las prue-bas fu el agar urea con las especificaciones Difco.

Despus de tener listo el agar, con ayuda de una micro-pipeta se depositaron tres (3) ml. del mismo en cada uno de los cuatro (4) tubos de ensayo y se procedi a llevar inculo de los S.P.C a estos. Las cuatro (4) pruebas se llevaron a la incubadora y pa-

sadas veinticuatro (24) horas de haber realizado el ensayo, el tubo con el morfotipo tres(3) se torno co-lor fucsia demostrando as su habilidad de degradar urea.

Para poder observar el morfotipo tres (3) al mi-croscopio fu necesario realizar otro pase en S.P.C y dejarlo incubando otras veinticuatro(24) horas ya que al hacer la placa tomando inculo directamente del tubo de ensayo no se pudo observar nada debido a la escasez de bacterias en el mismo. Pasado el tiempo de incubacin del nuevo S.P.C se observaron una gran cantidad de colonias de bacterias. Se pro-cedi a realizar la placa y la tincin respectivas para despus llevarla al microscopio.

Al ver la placa en el microscopio se pudieron identificar dos estructuras distintas; la primera baci-los cortos y la segunda, una estructura en forma de raqueta, posiblemente Pseudomonas, los bacilos se identificaron como grampositivos y las posibles Pseudomonas como gramvariables. Debido a que se identificaron dos estructuras diferentes, se decidi dejar incubando por veinticuatro (24) horas ms el ltimo aislamiento en S.P.C que se haba hecho; esto con el fin de dejar crecer las colonias para poder identificar macroscpicamente los bacilos y las po-sibles Pseudomonas y realizar nuevos aislamientos de estas en cajas separadas. Adicionalmente se hicieron nuevas pruebas de urea con las colonias de los nuevos S.P.C para las cuales los dos tipos de bacterias dieron positivo. Las posibles Pseudomonas tornaron de forma lenta el medio a color rojizo, mientras que los bacilos tornaron totalmente de co-lor fucsia el medio pasadas 24 horas, lo que indic mayor rapidez de estos ultimos en el proceso de de-gradacin de la urea, por lo que se opt por utilizar estos ltimos para los ensayos con el suelo. La Figu-ra 3 muestra los cocobacilos grampositivos esporu-lados degradadores de urea aislados.

Figura 3. Cocobacilos grampositivos aislados.

4 ENSAYOS DE SUELO

l tipo de suelo seleccionadE o para el tratamiento fu

rmetros del suelo escogido para tratamiento. __________

igura 4. Arena gravosa (SP) seleccionada para el tratamiento

5 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LADO

o cin,

ree

lo para conocer sus

esultados de los ensayos de compresin edomtrica. 9 UFC/ml y humedad 20%

______

as con solo el 10% de humedad y esta vez en la mu

______

un material granular no cohesivo tipo SP (arena gra-vosa mal gradada) segn el sistema de clasificacin de suelos USCS. (Figura 4). Este tipo de arena es muy usado para la preparacin de morteros para pa-ete gracias a su finura. Los parmetros encontra-dos en laboratorio para esta arena se resumen en la Tabla 2.

abla 2. Pa________T_Parmetro Valor ___________________ Gs 2.615 LL - LP - IP - D60 0.28 D30 0.19 D10 0.13

Cu 2.15 Cc 0.99 % finos 3.54 ___________________

Fco

n bacterias.

RESISTENCIA PARA EL SUELO MEZCCON MEDIO NUTRITIVO Y BACTERIA

mo parte de la segunda etapa de la investigaCal suelo seleccionado se le realizaron ensayos de compresin edomtrica en su estado natural para hallar diferentes propiedades como son el coeficien-te de compresibilidad volumtrica (mv), los ndices de compresin y recompresin, el mdulo de Young (E) y la relacin de vacos inicial eo y final ef y compararlos con los parmetros obtenidos despus realizar los mismos ensayos pero para el suelo mez-

clado con un medio rico en nutrientes, fuentes de carbonatos y calcio y a su vez con la bacteria aislada previamente. Adicionalmente se hicieron ensayos de compresin con el suelo mezclado solo con el medio nutritivo para tener ms parmetros de comparacin.

Se realizaron dos series de ensayos; en la primera se prepararon y compactaron 3 muestras diferentes

mplazando cada vez el lquido de compactacin por medio nutritivo o por medio nutritivo con bacte-rias suspendidas. En esta primera prueba la muestra con bacterias tuvo un ttulo o concentracin bacte-riana de 48x109 UFC/ml (unidades formadoras de colonia / ml) y cada muestra se prepar con un 20% de humedad. Las muestras se dejaron secar durante 20 das con el fin de darle tiempo a las bacterias de actuar en el suelo, luego se procedi a ensayarlas. En la Tabla 3 se muestra un resumen de los parme-tros encontrados para cada ensayo.

Adicionalmente se llev un control diario de la medida del pH (Figura 5) en el sue

condiciones de acidez o alcalinidad y verificar el cambio producido en este al ser tratado con el medio nutritivo y las bacterias. Los resultados arrojaron una tendencia de las muestras a aumentar el pH del suelo y mantener las condiciones alcalinas lo cual es beneficioso para la precipitacin del carbonato de calcio. Tabla 3. R

itulo 48x10T __________________________________________________ Parmetro Natural Medio Bacteria __________________________________________________ Mv 1.28x10-3 1.34x10-3 1.05x10-3 E (MPa) 75 73 93 Cc 0.059 0.063 0.049

Cs 0.026 0.0099 0.0066eo 0.750 0.700 0.702 ef 0.673 0.623 0.623

e 0.077 0.074 0.079 ____________________________________________

Para la segunda prueba se prepararon las mues-tr

estra con bacterias se trabajo una concentracin o ttulo menor el cual fue de 80x108 UCF /ml. En la Tabla 4 se muestran los resultados de esta. Tabla 4. Resultados de los ensayos de compresin edomtrica.

itulo 80x10T __________________________________________________ Parmetro Natural Medio Bacteria __________________________________________________

8 UFC/ml y humedad 10%

Mv 1.28x10-3 1.29x10-3 1.14x10-3 E (MPa) 75 75 85 Cc 0.059 0.060 0.053

9 Cs 0.026 0.0099 0.009eo 0.750 0.740 0.740 ef 0.673 0.658 0.667

e 0.073 0.077 0.082 ____________________________________________

Figura 5. Variacin del pH para el suelo tratado con medio nu-tritivo y bacterias.

tados favorecen a las muestras de suelo tratadas con los

6 CONCLUSIONES

uladas para la seleccin de la ente natural y el tratamiento con medio nutritivo

; solo uno result ser

de estructuras diferentes fueron encontrados; cocobacilos grampositivos y pseudo-monas gramvariables.

proceso de degradacin de est

cterias de 48x10 UFC/ml, mientras que para un

A futuro, se identificaran los dos tipos de bacteria aislados y se harn pruebas a diferentes humedades,

iones de bacterias con diferen-s tipos de suelo para caracterizar el comportamien-

i-crobiologically-induced calcite precipitation. J Biotechnol-

er-Levrel, G. & Orial, G. & Loubiere,

Ism

O.

Per

Per

Ro

Tia

Como se puede ver en los dos ensayos, los resul-

cocobacilos que se aislaron en la primera parte de la investigacin, ya que para relaciones de vacos iniciales similares en los ensayos de compresin se encontraron, en ambos casos, coeficientes de com-presibilidad volumtrica menores y por consiguiente mdulos de elasticidad mayores. Tambin se puede observar una disminucin de los ndices de compre-sin y recompresin, lo que demuestra la rigidiza-cin y mejoramiento de las propiedades del suelo. Para las muestras tratadas solo con medio nutritivo no se presentaron cambios en el mdulo de elastici-dad y por consiguiente la rigidez en comparacin con los valores encontrados para el suelo natural.

Las caractersticas formfuB.H.I que se le realiz a este para hacer los aisla-mientos fueron satisfactorias, ya que otro tipo de bacteria del tipo ureasa positivo se logr aislar para realizar futuros ensayos con esta.

Cuatro (4) morfotipos distintos fueron encontra-dos en 13 S.P.C que se sembraron

ureasa positivo. Observando la placa del morfotipo tres (3) al mi-

croscopio, dos tipos

Al realizar las pruebas de urea para las dos es-tructuras encontradas se determin una mayor velo-cidad de reaccin por parte de los cocobacilos, que las pseudomonas en el

a. Los resultados obtenidos de los ensayos de com-

presin edomtrica demostraron un aumento de la rigidez del suelo en un 25% para una concentracin de ba 9

a concentracin de 80x108 UCF /ml el aumento de la rigidez fue del 13% a los 20 das de hacer el tra-tamiento.

7 EN EL FUTURO

tiempos y concentracteto y las variaciones generadas en este.

Adicionalmente se realizara una caracterizacin qumica que determine la formacin de carbonatos, calcio, magnesio y potasio en el suelo para cuantifi-car as la interaccin suelo-bacteria.

8 REFERENCIAS Bachmeier, KL & Williams AE.. 2002. Urease activity in m

ogy. 93(2):171-81. Castanier, S. & Le Metay

J. F. & Perthuisot, J. P. 2000. Bacterial carbonatogenesis and applications to preservation and restoration of historic property, p. 201-216.

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1 JUSTIFICACION2 CONCEPTOS GENERALES2.1 Precipitacin de carbonato de calcio.2.2 Antecedentes

3 AISLAMIENTOS Y ENSAYOS MICROBIOLOGICOS3.1 Aislamiento de la bacteria ureoltica

4 ENSAYOS DE SUELO5 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE RESISTENCIA PARA EL SUELO MEZCLADO CON MEDIO NUTRITIVO Y BACTERIA6 CONCLUSIONES7 EN EL FUTURO8 REFERENCIAS